CN107835002A - 固态脉冲调制器中的保护电路、振荡补偿电路和供电电路 - Google Patents

固态脉冲调制器中的保护电路、振荡补偿电路和供电电路 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述栅极保护电路包括：稳压器件，用于相对于针对所述IGBT的栅极的地，向所述IGBT的发射极提供一个稳定的电压。

Description

固态脉冲调制器中的保护电路、振荡补偿电路和供电电路
技术领域
本公开总体上涉及电子技术领域，具体地涉及用于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极保护电路、振荡补偿电路、过流保护电路和过压保护电路、用于基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器的供电电路、以及包括上述一种或多种电路的基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器。
背景技术
基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器以绝缘栅双极晶体管 (IGBT)为开关元件，IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当在栅极上加正电压时IGBT导通，而当在栅极上加负电压时IGBT即关断。
IGBT的可靠性对固态调制器来说非常重要，IGBT的安全可靠与否至少部分地由以下因素决定：IGBT的栅极与发射极之间的电压； IGBT的集电极与发射极之间的电压；流过IGBT的集电极-发射极的电流；以及IGBT的结温等。
一方面，如果IGBT的栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作。另一方面，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压，则IGBT可能永久性损坏。同样，如果加在IGBT的集电极与发射极之间的电压超过集电极-发射极之间的耐压，或者流过IGBT的集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，或者IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。
因此，需要确保基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中各级 IGBT开关的可靠性，例如栅极保护、振荡补偿、过流保护或过压保护等。
发明内容
本公开旨在至少部分地解决基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中各级IGBT开关的栅极保护、振荡补偿、过流保护或过压保护等问题，以保证固态脉冲调制器稳定可靠地工作。
在本公开的第一方面，提供了一种用于绝缘栅双极型晶体管 IGBT的栅极保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述栅极保护电路包括：稳压器件，用于相对于针对所述IGBT的栅极的地，向所述IGBT的发射极提供一个稳定的电压。
根据本公开的实施例，所述稳压器件是稳压二极管，所述稳压二极管的阴极连接到所述IGBT的发射极，并且所述稳压二极管的阳极连接到针对所述IGBT的栅极的地。
根据本公开的实施例，所述稳压二极管在其两端提供5V的稳定电压。
根据本公开的实施例，所述栅极保护电路还包括：电阻，连接在所述栅极与所述发射极之间。
根据本公开的实施例，所述栅极保护电路还包括：双向瞬变电压抑制(TVP)管，连接在所述栅极与所述发射极之间。
根据本公开的实施例，所述TVP管在其两端提供15V的稳定电压。
在本公开的第二方面，提供了一种用于绝缘栅双极型晶体管 IGBT的振荡补偿电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述振荡补偿电路包括：振荡抑制电阻RG，所述IGBT的驱动信号经由所述振荡抑制电阻输入到所述 IGBT的栅极；以及振荡抑制电容CG，连接在所述IGBT的栅极和发射极之间。
根据本公开的实施例，所述振荡抑制电阻RG和所述振荡抑制电容CG满足以下关系式：
其中，LG是用于所述IGBT的驱动电路中的分布电感。
在本公开的第三方面，提供了一种用于绝缘栅双极型晶体管 IGBT的过流保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述过流保护电路包括：集电极电压检测电路，用于在所述IGBT导通阶段检测所述IGBT的集电极处的电压，并且输出指示集电极处的电压是否超出参考值的信号；以及过流触发电路，用于在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向所述IGBT的驱动电路输出一过流触发信号，以使所述驱动电路向所述IGBT的栅极输出使所述IGBT关断的驱动信号。
根据本公开的实施例，所述过流触发信号与所述IGBT的栅极控制触发信号一起通过“与”门输入到所述驱动电路，其中，在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，所述过流触发电路输出低电平的过流触发信号。
根据本公开的实施例，所述过流触发电路包括晶体管，所述晶体管的第一端连接至所述“与”门的输入端，所述晶体管的第二端连接至低电平，其中，响应于所述集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处电压超出参考值，所述晶体管导通，从而在第一端和第二端之间连通。
根据本公开的实施例，所述集电极电压检测电路被配置为在所述IGBT开始导通的时刻之后预定时间检测所述集电极的电压。
根据本公开的实施例，所述预定时间为1至2us。
根据本公开的实施例，所述集电极电压检测电路包括：恒流源，用于响应于所述驱动电路中使所述IGBT导通的驱动信号而启动，以产生恒定检测电流；以及延时机制，使得恒流源产生的恒定电流在恒流源启动后经过预定时间时被提供给所述IGBT的集电极。
根据本公开的实施例，所述延时机制包括电容器，其中，所述恒流源的输出一方面连接到所述电容器的第一端子，另一方面经由检测电阻器连接到所述IGBT的集电极，其中，所述电容器的第二端子连接到地电势，其中，在所述恒流源与所述集电极之间存在单向导通器件，使得电容器仅能够由来自恒流源的电流充电。
根据本公开的实施例，所述集电极电压检测电路还包括：连接至电容器的第一端子与地电势之间的稳压二极管和电阻器，其中，稳压二极管和电阻器之间的连接节点用作所述集电极电压检测电路的输出节点。
在本公开的第四方面，提供了一种用于绝缘栅双极型晶体管 IGBT的过压保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述过压保护电路包括：集电极电压检测电路，用于在所述IGBT关断阶段检测所述IGBT的集电极处的电压，并且输出指示集电极处的电压是否超出参考值的信号；以及过压触发电路，用于在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向所述IGBT的驱动电路输出一过压触发信号，以使所述驱动电路向所述IGBT的栅极输出使所述IGBT导通的驱动信号。
根据本公开的实施例，所述集电极电压检测电路包括一个或多个串联连接的瞬变电压抑制TVP管。
根据本公开的实施例，所述TVP管的数量为3。
根据本公开的实施例，所述参考值为750V。
根据本公开的实施例，所述过压触发电路的输出连接至所述 IGBT的驱动电路中推挽配置的驱动电流放大电路的高侧晶体管的控制端。
根据本公开的实施例，所述过压触发电路包括单向导通器件，连接在所述栅极与所述TVP管之间，用于在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向所述IGBT的栅极输出使所述IGBT导通的信号。
在本公开的第五方面，提供了一种用于基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路的供电电路，包括：互感线圈；与互感线圈相耦合的导电线，用以传输交流电流，并因此在互感线圈中产生交流信号；
整流器，用于将所述交流信号转换为直流信号，以向所述驱动电路供电，其中，所述整流器的正输出端提供供电电压，并且所述整流器的负输出端连接到针对所述IGBT的栅极的地；以及稳压二极管，连接在所述整流器的正输出端与负输出端之间。
根据本公开的实施例，导电线穿过互感线圈。
在本公开的第六方面，提供了一种基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器，包括第一方面至第五方面中任一方面所述的电路。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的固态脉冲调制器的示意性电路图；
图2示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的栅极保护电路的示意性电路图；
图3示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的振荡补偿电路的示意性电路图；
图4a示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的过流保护电路的示意性结构图；
图4b示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的过流保护电路的示意性电路图；
图5a示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的过压保护电路的示意性结构图；
图5b示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的过压保护电路的示意性电路图；以及
图6示出了根据本公开的实施例的用于基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器的供电电路的示意性电路图。
具体实施方式
根据结合附图对本公开示例性实施例的以下详细描述，本公开的其它方面、优势和突出特征对于本领域技术人员将变得显而易见。
在本公开中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为“和/或”。
在本说明书中，下述用于描述本公开原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不背离本公开的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同参考数字用于相似功能和操作。
图1示出了根据本公开的实施例的固态脉冲调制器的示意性电路图。
如图1所示，根据该实施例的固态脉冲调制器可以包括多个(例如，11个，根据所需要提供的脉冲电压而定)充放电模块100，每一个充放电模块100可以包括电容器1001、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 1002和二极管1003。在每一个充放电模块100中，电容器1001的第一端连接至IGBT的集电极，且第二端经由二极管1003连接至IGBT 的发射极。另外，IGBT的栅极连接至驱动电路(未示出)，以根据来自驱动电路的驱动信号而导通或关断，并因此相应地改变各充放电模块100中电容器的连接配置。所述多个充放电模块通过二极管并联连接。第一个充放电模块连接至电容器1004，并且最后一个充放电模块100通过二极管与另一个IGBT 1002并联。
参照图1，当充电时，所有IGBT关断，从而所有电容器并联连接，并且各电容器两端的电压可以为充电用的电源电压例如750V。当放电时，所有IGBT导通，从而各电容器通过IGBT成串联连接关系，且因此各电容器上的电压可以叠加在一起从而向外部提供一高压。
对于在这种电路配置中的IGBT，可以设计多种保护措施。
图2示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的栅极保护电路的示意性电路图。
如图2所示，根据该实施例的栅极保护电路包括稳压器件201，该稳压器件201可以相对于针对IGBT的栅极G的地，向IGBT的发射极提供一个稳定的电压。例如，稳压器件可以是稳压二极管2001。如图2中的虚线框所示，稳压二极管2001的阴极连接到IGBT的发射极E，并且稳压二极管的阳极连接到针对IGBT的栅极G的地。另外，稳压二极管2001反向连接在正电源与栅极地之间(例如，通过电阻器 2002)。于是，在IGBT需要关断的时段，IGBT的栅极接地。因此，稳压二极管2001被反向击穿，并因此在发射极和栅极(此时为地电势) 之间保持恒定的电压如5V。于是，在IGBT关断时，栅极-发射极之间的电压可以被设置在一个稳定的负电压(例如，-5V)。这种负偏置可以防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通。
当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，使导通损耗减小。但是，如果正向驱动电压过大易造成栅极损坏，因此需要适当地选择稳压二极管2001的正向驱动电压，例如为15V。另外，IGBT导通之后驱动电路应当提供足够的电压和电流幅值，以使IGBT在正常工作及过载情况下不会退出饱和导通区而损坏。
当IGBT关断时，栅极-发射极之间的电压很容易受到IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅极-发射极之间的电压引起器件误导通。为了防止这种现象的发生，栅极保护电路还可以包括连接在栅极G与发射极E之间的电阻3033，如图3所示。此外，在实际应用中，为了防止栅极驱动电路出现高压尖峰，栅极保护电路还可以包括连接在栅极G 与发射极E之间的TVP管3034，如图3所示。如上所述，TVP管3034 可以在其两端提供15V的稳定电压。
在另一个实施例中，如已知的，IGBT快速开通和关断有利于减小开关损耗。由于固态调制器的脉冲宽度很短(通常只有几个us)，所以在固态调制器中，需要尽可能快速地进行IGBT的触发和关断。 IGBT的栅极的结电容通常很大，为了实现快速导通和关断，需要很大的驱动电流。
在一个示例中，IGBT的驱动电路(如图3中的虚线框所示)可以包括驱动信号发生器301和放大级302。驱动信号发生器301可以根据接收到的栅极控制触发信号(在4端输入)，产生针对IGBT的驱动信号(驱动脉冲)。例如，驱动信号发生器301可以包括专用的触发芯片IXDN604(图3中的标号2、3、4、5、6、7指示IXDN604 的相应管脚)。放大级302可以对驱动信号进行放大(例如，电流放大，以实现大驱动电流)。在一个示例中，放大级302可以包括推挽配置的放大器件如三极管。在另一方面，三极管还可以方便下述的过压保护电路的接入。该驱动电路的驱动电流可以很大，并且内阻可以小于1欧姆。
由于IGBT的触发速度很快，驱动电路中的分布电感与栅电容会形成高频震荡。根据本公开的实施例，可以提供振荡补偿电路303，以至少部分地抑制这种振荡。
图3示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的振荡补偿电路的示意性电路图。
如图3所示，根据该实施例的振荡补偿电路303可以包括串接在栅极上的振荡抑制电阻3031和并接在栅射之间的振荡抑制电容 3032。IGBT的驱动信号经由振荡抑制电阻3031输入到IGBT的栅极G，并且振荡抑制电容3032连接在IGBT的栅极G和发射极E之间。选择合适的振荡抑制电阻3031和振荡抑制电容3032有利于抑制震荡，同时不会增加IGBT的开关时间和开关损耗。例如，振荡抑制电阻3031和振荡抑制电容3032可以满足以下关系式(1)：
其中，RG是振荡抑制电阻3031的阻值，CG是抑制振荡电容3032的电容值，LG是用于IGBT的驱动电路中的分布电感。
在一个示例中，固态调制器中使用的IGBT的结电容约为几十nF，驱动电路中的分布电感约为十几nH，驱动电路中的其它内阻约为1 欧姆。这种情况下，例如RG可以选用1欧姆，CG可以选用47nF，此时触发上升沿约为几百ns。
在另一个实施例中，由于固态调制器的负载是磁控管，而磁控管打火是不可避免的，所以必须考虑IGBT的过流问题。一般IGBT的过流保护电路采用软关断的方案，这是因为当IGBT严重过流时，快速关断栅电压会使IGBT形成“栓锁”，而无法关断。栅电压需要一个几十us的降低过程，形成缓关断。但是在固态调制器中，可以采用硬关断。这是因为在固态调制器中，IGBT实际导通脉宽很窄，导通工作电流很大，选用的IGBT的额定电流也很大。即使在磁控管打火等短路状态下，由于回路中的分布电感的限制，使得短路电流有一个十几us的上升过程。如果能及时判断出过流故障，尽快关断，反而可以减小短路电流。
IGBT正常导通时，导通压降很低，而过流时，导通压降升高。所以可以在导通过程中，检测导通压降，可以判断IGBT是否过流。图4a示出了根据本公开的实施例的用于IGBT的过流保护电路的示意性结构图。
如图4a所示，根据该实施例的过流保护电路可以包括集电极电压检测电路401和过流触发电路402。
集电极电压检测电路401可以在IGBT导通阶段检测IGBT的集电极处的电压，并且输出指示集电极处的电压是否超出参考值的信号。根据本公开的实施例，集电极电压检测电路401对于集电极电压的检测可以在IGBT导通后经过一段时间(例如，1至2us)之后再开始，因为IGBT刚导通时压降比较大，容易造成集电极电压检测电路401检测到高电压并因此导致过流保护电路误操作。
过流触发电路402可以在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向IGBT的驱动电路输出一过流触发信号，以使驱动电路向IGBT的栅极输出使IGBT关断的驱动信号。
于是，驱动电路可以接收两个控制信号：一个是正常控制IGBT 导通/关断的栅极控制触发信号，另一个是上述过流触发信号。在一个示例中，过流触发信号可以与IGBT的栅极控制触发信号一起通过“与”门403输入到驱动电路404。例如，如图4b所示，过流触发信号输入到“与”门4031的2端，并且栅极控制触发信号输入到“与”门4031的1端。
在集电极电压检测电路401输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，过流触发电路可以输出低电平的过流触发信号。由于“与”门的作用，即便栅极控制触发信号为高(用于驱动IGBT导通)，驱动信号的输入也被设置为低，从而使栅极G处的电压关断。于是，断开了电流通路，从而实现过流保护。
在一个示例中，过流触发电路402可以根据集电极电压检测电路401的输出而选择性地输出低电平信号。例如，过流触发电路402 可以包括栅极受集电极电压检测电路401的输出控制从而选择性地将“与”门4031的2端接地的开关器件，如场效应晶体管4021。例如，如图4b所示，晶体管4021的第一端连接至“与”门403的输入端，例如，“与”门4031的2端，晶体管4021的第二端连接至低电平。响应于集电极电压检测电路401输出的信号指示集电极处电压超出参考值(例如，加在场效应晶体管4021的栅极处的高电平)，晶体管4021导通，从而在第一端和第二端之间连通，并因此将第一端(即，“与”门4031的输入端)连接到地。
本领域存在多种电压检测技术。根据本公开的实施例，可以(通过电阻器)向集电极提供检测电流来进行电压检测。例如，集电极电压检测电路401可以包括恒流源4011。
恒流源4011可以响应于驱动电路404中使IGBT导通的驱动信号而启动(即，与IGBT的导通同步地启动)，以产生恒定检测电流。在一个示例中，恒流源4011可以包括晶体管4011-1。该晶体管的栅极和漏极之间连接有稳压二极管4011-2和电阻4011-3。当驱动信号为高(指示IGBT导通)时，稳压二极管4011-2可以反向击穿并因此在其两端保持恒定的电压。该恒定的电压通过电阻4011-3产生一个恒定的发射极电流，且因此可以从集电极输出基本上恒定的电流，以用作检测电流。当然，恒流源的配置不限于此。
如上所述，检测电流需要在IGBT导通后经过一段时间之后再提供给集电极以避免误动作，因此，根据该实施例的集电极电压检测电路401还可以包括延时机制4012。延时机制4012使得恒流源4011 产生的恒定电流在恒流源启动后经过预定时间时被提供给IGBT的集电极C。
在一个示例中，延时机制4012可以包括电容器，例如，图4b 中所示的电容器4012-1。例如，恒流源4011的输出一方面连接到电容器的第一端子，另一方面经由检测电阻器405连接到IGBT的集电极C。电容器4012-1的第二端子可以连接到地电势。在恒流源4011 与集电极C之间存在单向导通器件如二极管406，使得电容器仅能够由来自恒流源的电流充电(例如，避免在集电极C处存在高电压时从集电极C向电容器4012-1充电)。
假定在电路的初始状态电容器4012-1中没有电荷，因此其第一端子出的电压(节点P1处的电压)近似为零。在IGBT导通的时刻，恒流源启动，并因此产生恒定的检测电流。由于此时P1处的低电压 (二极管406反偏)，所以检测电流主要对电容器4012-1充电。另外，P1处的低电压不会使稳压二极管407反向击穿，从而晶体管4021 的栅极经由电阻器408连接到地，因此晶体管4021关断，从而“与”门4031的2端处的输入为高。这种情况下，驱动信号的产生取决于栅极控制触发信号。
随着检测电流对电容器4012-1的充电，P1处的电压逐渐升高。在正常工作的情况下，在IGBT导通后一段时间之后，集电极的电压降低(接近发射极电压)。当P1处的电压升高到高于集电极电压时，检测电流将流入集电极C。也即，检测电流被延迟了P1处的电压升高到高于集电极电压所需的这段时间。此时，P1处的电压约为集电极电压+检测电流*R1，其中R1表示电阻器405的阻值。可以选择检测电流的大小、电阻405的阻值以及稳压二极管407的参数，使得此时稳压二极管407不会反向击穿，且因此保持“与”门4031的 2端处的输入为高。
在过流的情况下，集电极电压将增大。由于单向导通器件406 的存在，检测电流将进一步对电容器4012-1充电，并因此使P1处的电压抬升。最终，P1处的电压将会使稳压二极管407反向击穿且因此在其两端保持稳定的电压。该电压的存在将使得晶体管4021导通，并因此将“与”门4031的2端处的输入拉低到地电势。响应于该低收入，驱动电路将使得IGBT关断。
在该示例中，集电极电压检测电路401通过连接至电容器4012-1 的第一端子与地电势之间的稳压二极管407和电阻器408来将集电极电压的高低转换为高电平信号和低电平信号，并在稳压二极管407 和电阻器408之间的连接节点处输出高电平信号或低电平信号，以便控制过流触发电路402。但是，本公开不限于此。本领域存在多种技术手段来将P1处的电压高低分别转换为相应的高低电平控制信号。
在另一实施例中，固态调制器中IGBT需要快速关断，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的集电极C和发射极E 两端产生很高的浪涌尖峰电压UCE。另外IGBT的耐过压能力较差，这样就会使IGBT击穿。因此，IGBT的过压保护也是十分重要的。降低IGBT集-射极间电压UCE的方法可以是增大栅极电阻RG。但 RG的增大将减缓IGBT的开关速度，从而增加开关损耗，此方法不太理想。
图5a示出了根据本公开的实施例提供了一种用于IGBT的过压保护电路。
如图5a所示，根据该实施例的过压保护电路可以包括集电极电压检测电路501以及过压触发电路502。
集电极电压检测电路501可以在IGBT关断阶段检测IGBT的集电极处的电压，并且输出指示集电极处的电压是否超出参考值的信号。根据实际需求，参考值可以为例如750V。例如，集电极电压检测电路501可以包括一个或多个串联连接的TVP管，如图5b所示。 TVP管的数量可以根据上述参考值而定，例如在参考值为750V的情况下TVP管的数量为3。在这种情况下，在IGBT关断阶段，当集电极电压过高(浪涌电压)时，集电极电压检测电路501可以输出高电平信号。
过压触发电路502可以在集电极电压检测电路501输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向IGBT的驱动电路503输出一过压触发信号，以使驱动电路503向IGBT的栅极输出使IGBT导通的驱动信号。
在一个示例中，过压触发电路502的输出可以连接至IGBT的驱动电路503中推挽配置的驱动电流放大电路的高侧晶体管(例如，图5b中所示的5001)的控制端。这种情况下，在判定过压的情况(即，集电极电压检测电路501的输出信号指示集电极处的电压超出参考值)下，过压触发电路502可以输出高电平信号，以使得高侧晶体管导通，并因此向IGBT的栅极输出驱动IGBT导通的驱动信号。如图5b所示，在集电极电压检测电路501以高电平信号指示集电极电压过高时，过压触发电路502可以简单地将集电极电压检测电路501 的输出节点(通过电阻器)连接到高侧晶体管的栅极。
于是，当集电极的电压超过参考值时，IGBT的栅极可以接通，以释放一定的电能，形成适当的缓关断。例如，如图5b所示，当集电极的电压超过TVP管压时，电流流过TVP管，通过三极管放大之后施加到IGBT的栅极上，IGBT接通，释放电能，之后IGBT的电压降低，当集电极的电压下降至小于TVP管压降之后，栅极关断。这样，形成自适应的缓关断，从而实现过压保护。
作为备份，还可以设置额外过压保护支路。该过压保护支路可以在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向IGBT的栅极输出使IGBT导通的信号。如图5b所示，在集电极电压检测电路501以高电平信号指示集电极电压过高时，该额外过压保护支路可以简单地将集电极电压检测电路501的输出节点(通过电阻器)连接到IGBT的栅极。
在另一实施例中，因为采用MARX放电回路，每个IGBT模块不同地悬浮在不同的高压上，触发和触发供电都需要隔离。例如，触发可以采用光纤传输，触发供电可以采用电流互感器耦合高频电流方法，通过耐高压的导线传送，初级可以是1匝的变压器。
图6示出了一种用于基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路的供电电路。
如图6所示，根据该实施例的供电电路可以包括互感线圈601、导电线、桥式整流器602以及稳压二极管603。导电线与互感线圈相耦合并且穿过互感线圈，用以传输交流电流，并因此在互感线圈中产生交流信号。桥式整流器602将所述交流信号转换为直流信号，以向驱动电路供电。桥式整流器602的正输出端3提供供电电压，并且桥式整流器602的负输出端4连接到针对IGBT的栅极的地。稳压二极管603连接在所述整流器的正输出端与负输出端之间。
在另一实施例中，本公开还提供了一种基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器，包括上文所述的栅极保护电路、振荡补偿电路、过流保护电路、过压保护电路和供电电路中的任一个或多个电路。
在基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中，本公开可以保证 IGBT的安全性和可靠性。
根据本公开各实施例的上述方法、装置、单元和/或模块可以通过有计算能力的电子设备执行包含计算机指令的软件来实现。该***可以包括存储设备，以实现上文所描述的各种存储。所述有计算能力的电子设备可以包含通用处理器、数字信号处理器、专用处理器、可重新配置处理器等能够执行计算机指令的装置，但不限于此。执行这样的指令使得电子设备被配置为执行根据本公开的上述各项操作。上述各设备和/或模块可以在一个电子设备中实现，也可以在不同电子设备中实现。这些软件可以存储在计算机可读存储介质中。计算机可读存储介质存储一个或多个程序(软件模块)，所述一个或多个程序包括指令，当电子设备中的一个或多个处理器执行所述指令时，所述指令使得电子设备执行本公开的方法。
这些软件可以存储为易失性存储器或非易失性存储装置的形式 (比如类似ROM等存储设备)，不论是可擦除的还是可重写的，或者存储为存储器的形式(例如RAM、存储器芯片、设备或集成电路)，或者被存储在光可读介质或磁可读介质上(比如，CD、DVD、磁盘或磁带等等)。应该意识到，存储设备和存储介质是适于存储一个或多个程序的机器可读存储装置的实施例，所述一个程序或多个程序包括指令，当所述指令被执行时，实现本公开的实施例。实施例提供程序和存储这种程序的机器可读存储装置，所述程序包括用于实现本公开的任何一项权利要求所述的装置或方法的代码。此外，可以经由任何介质(比如，经由有线连接或无线连接携带的通信信号)来电传递这些程序，多个实施例适当地包括这些程序。
根据本公开各实施例的方法、装置、单元和/或模块还可以使用例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上***、基板上的***、封装上的***、专用集成电路(ASIC)或可以以用于对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。该***可以包括存储设备，以实现上文所描述的存储。在以这些方式实现时，所使用的软件、硬件和/或固件被编程或设计为执行根据本公开的相应上述方法、步骤和/或功能。本领域技术人员可以根据实际需要来适当地将这些***和模块中的一个或多个，或其中的一部分或多个部分使用不同的上述实现方式来实现。这些实现方式均落入本公开的保护范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (25)

1.一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述栅极保护电路包括：
稳压器件，用于相对于针对所述IGBT的栅极的地，向所述IGBT的发射极提供一个稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的栅极保护电路，其中，所述稳压器件是稳压二极管，所述稳压二极管的阴极连接到所述IGBT的发射极，并且所述稳压二极管的阳极连接到针对所述IGBT的栅极的地。
3.根据权利要求1所述的栅极保护电路，其中，所述稳压二极管在其两端提供5V的稳定电压。
4.根据权利要求1所述的栅极保护电路，还包括：
电阻，连接在所述栅极与所述发射极之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的栅极保护电路，还包括：
双向瞬变电压抑制TVP管，连接在所述栅极与所述发射极之间。
6.根据权利要求5所述的栅极保护电路，其中，所述TVP管在其两端提供15V的稳定电压。
7.一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT的振荡补偿电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述振荡补偿电路包括：
振荡抑制电阻RG，所述IGBT的驱动信号经由所述振荡抑制电阻输入到所述IGBT的栅极；以及
振荡抑制电容CG，连接在所述IGBT的栅极和发射极之间。
8.根据权利要求7所述的振荡补偿电路，其中，所述振荡抑制电阻RG和所述振荡抑制电容CG满足以下关系式：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>G</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <msqrt> <mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mi>G</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mi>G</mi> </msub> </mfrac> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow>
其中，LG是用于所述IGBT的驱动电路中的分布电感。
9.一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT的过流保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述过流保护电路包括：
集电极电压检测电路，用于在所述IGBT导通阶段检测所述IGBT的集电极处的电压，并且输出指示集电极处的电压是否超出参考值的信号；以及
过流触发电路，用于在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向所述IGBT的驱动电路输出一过流触发信号，以使所述驱动电路向所述IGBT的栅极输出使所述IGBT关断的驱动信号。
10.根据权利要求9所述的过流保护电路，其中，所述过流触发信号与所述IGBT的栅极控制触发信号一起通过“与”门输入到所述驱动电路，
其中，在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，所述过流触发电路输出低电平的过流触发信号。
11.根据权利要求10所述的过流保护电路，其中，所述过流触发电路包括晶体管，所述晶体管的第一端连接至所述“与”门的输入端，所述晶体管的第二端连接至低电平，
其中，响应于所述集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处电压超出参考值，所述晶体管导通，从而在第一端和第二端之间连通。
12.根据权利要求9所述的过流保护电路，其中，所述集电极电压检测电路被配置为在所述IGBT开始导通的时刻之后预定时间检测所述集电极的电压。
13.根据权利要求12所述的过流保护电路，其中，所述预定时间为1至2us。
14.根据权利要求12所述的过流保护电路，其中，所述集电极电压检测电路包括：
恒流源，用于响应于所述驱动电路中使所述IGBT导通的驱动信号而启动，以产生恒定检测电流；以及
延时机制，使得恒流源产生的恒定电流在恒流源启动后经过预定时间时被提供给所述IGBT的集电极。
15.根据权利要求14所述的过流保护电路，其中，所述延时机制包括电容器，
其中，所述恒流源的输出一方面连接到所述电容器的第一端子，另一方面经由检测电阻器连接到所述IGBT的集电极，其中，所述电容器的第二端子连接到地电势，
其中，在所述恒流源与所述集电极之间存在单向导通器件，使得电容器仅能够由来自恒流源的电流充电。
16.根据权利要求15所述的过流保护电路，其中，所述集电极电压检测电路还包括：连接至电容器的第一端子与地电势之间的稳压二极管和电阻器，
其中，稳压二极管和电阻器之间的连接节点用作所述集电极电压检测电路的输出节点。
17.一种用于绝缘栅双极型晶体管IGBT的过压保护电路，所述IGBT用作基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的开关器件，所述过压保护电路包括：
集电极电压检测电路，用于在所述IGBT关断阶段检测所述IGBT的集电极处的电压，并且输出指示集电极处的电压是否超出参考值的信号；以及
过压触发电路，用于在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向所述IGBT的驱动电路输出一过压触发信号，以使所述驱动电路向所述IGBT的栅极输出使所述IGBT导通的驱动信号。
18.根据权利要求17所述的过压保护电路，其中，所述集电极电压检测电路包括一个或多个串联连接的瞬变电压抑制TVP管。
19.根据权利要求17所述的过压保护电路，其中，所述TVP管的数量为3。
20.根据权利要求17所述的过压保护电路，其中，所述参考值为750V。
21.根据权利要求17所述的过压保护电路，其中，所述过压触发电路的输出连接至所述IGBT的驱动电路中推挽配置的驱动电流放大电路的高侧晶体管的控制端。
22.根据权利要求17所述的过压保护电路，还包括额外过压保护支路，用于在集电极电压检测电路输出的信号指示集电极处的电压超出参考值时，向所述IGBT的栅极输出使所述IGBT导通的信号。
23.一种用于基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路的供电电路，包括：
互感线圈；
与互感线圈相耦合的导电线，用以传输交流电流，并因此在互感线圈中产生交流信号；
整流器，用于将所述交流信号转换为直流信号，以向所述驱动电路供电，其中，所述整流器的正输出端提供供电电压，并且所述整流器的负输出端连接到针对所述IGBT的栅极的地；以及
稳压二极管，连接在所述整流器的正输出端与负输出端之间。
24.根据权利要求23所述的触发供电电路，其中，导电线穿过互感线圈。
25.一种基于MARX发生器原理的固态脉冲调制器，包括权利要求1～24中任一项所述的电路。
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